خلیل طهماسبیان در سال 1302 در خانواده‌ای متدین، در محله عودلاجان پا به عرصه گیتی نهاد. پدرش ابراهیم طهماسبیان، مردی صبور، مهمان‌نواز و بسیار سخاوتمند بود. او در وزارت جنگ، با درجه استواری خدمت می‌کرد و از آنجا که بسیار مقید به آداب دینی بود، هنگامی که حقوق می‌گرفت آن را نزد امام جماعت مسجد محمودیه- آقای کرباسی- می‌برد تا رد مظالم کند. پدر، بزرگ‌تر محل بود و او را خان نایب می‌نامیدند و مردم برای رفع گرفتاری‌های خود به او مراجعه می‌کردند. در آن ایام افراد نسبت به فرستادن فرزندان به مدرسه نظر خوشی نداشتند و با این تعبیر که با رفتن به مدرسه، جوانان «بابی» می‌شوند، مانع تحصیل آنها می‌شدند. حاج ابراهیم طهماسبیان چنین اعتقادی نداشت و فرزندان خود را به مدرسه فرستاد، اما خلیل طهماسبی علاقه‌ای به تحصیل در مدرسه نداشت و بیشتر در پی کسب معارف دینی، به افرادی که در این زمینه اطلاعاتی داشتند مراجعه می‌کرد. او از همان نوجوانی عرق مذهبی خاصی داشت و تا جایی که امکان داشت با مظاهر ضد دین مبارزه می‌کرد.
مادر شهید طهماسبی، خانم کوچیک، زنی بسیار متدیّن و مدیر بود که در کنارشوهر خود، به امور مردم رسیدگی می‌کرد و مرجع بسیاری از کارها بود.
با درگذشت پدر در سال 1320، اداره خانواده بر عهده برادر بزرگتر، حاج اسماعیل طهماسبیان قرار گرفت که استاد نجار بود و خلیل نزد وی، حرفه نجاری را آموخت.
تربیت اصیل اسلامی شهید خلیل طهماسبیان، همراه با ایمان محکم و عمیق و شور و غیرت دینی او سبب شد که پس از آشنایی با مرحوم نواب صفوی در منزل آیت‌الله کاشانی، جذب جمعیت فدائیان اسلام شود و با فداکاری‌های مخلصانه خویش، تبدیل به یکی از درخشان‌ترین چهره‌های تاریخ معاصر ایران شود.
خلیل طهماسبیان، مردی وارسته و مخلص و عاشق بی‌چون و چرای پروردگار خویش بود. او صادقانه از افکار و آرمان‌های شهید نواب پیروی می‌کرد و لحظه‌ای نسبت به درستی راه او تردید به دل راه نمی‌داد. از هیچ کسی ذره‌ای ترس نداشت، مگر خدای تعالی و هیچ کسی را عاشقانه نمی‌پرستید، مگر برای خدا.
او نماد مطلق اخلاص، تقوا و وفاداری و در شرایط دشوار مبارزه مایه امید یاران و همرزمانش بود. هرگز کسی به یاد ندارد که او ذره‌ای در هدف و راه خود تردید به خرج دهد و یا دچار انحراف و اعوجاج شود.
پس از ترور رزم‌آرا و انتقال به زندان کاخ دادگستری، در آنجا قرآن را به خوبی آموخت. در این فاصله فدائیان اسلام از طریق علما و مراجع، رژیم را تحت فشار قرار دادند تا او را از زندان آزاد کنند. بیست ماه بعد و به هنگام زمامداری دکتر مصدق، خلیل طهماسبی به عنوان قهرمان ملی از زندان آزاد شد. خلق و خو و رفتار آن شهید بزرگوار که اینک از شهرت فراوانی برخوردار شده بود با دوره قبل از زندان رفتنش کوچکترین تفاوتی نکرده بود.
فدائیان اسلام هنگامی که تصمیم می‌گرفتند فردی را ترور کنند، با پشتوانه کسب مجوز از مراجع، دست به این اقدام می‌زدند، از همین رو هنگامی که مادر شهید طهماسبی از او پرسید که بر چه اساسی دست به ترور رزم آرا زده است، شهید خلیل پاسخ داد که از چهار مرجع بزرگ زمان، آیات عظام حجت، صدر، محمدتقی خوانساری و کاشانی کسب اجازه کرده است.
شهید طهماسبی در برخورد با مردم بی‌نهایت مهربان، متواضع و خیراندیش و در برخورد با ستمگران، محکم و استوار و همچون شیری غرنده بود. به هنگام نماز، از خوف خداوند، سراپا می‌لرزید و می‌گریست و از دنیای پیرامون خود غافل می‌شد و در نبرد با خصم، همچون مقتدای خود مولا علی(ع)، دندان بر هم می‌فشرد و پایمردی و صبوری‌اش نظیر نداشت.
شهید طهماسبی در سال 1331 با خواهر حجت‌الاسلام شیخ محمدرضا نیکنام ازدواج کرد و صاحب پسری به نام مهدی شد. شیخ محمد رضا نیز خود سال‌ها تحت تعقیب رژیم پهلوی بود و پس از آنکه خلیل طهماسبی به شهادت رسید، سرپرستی زن و فرزند او را بر عهده گرفت و این وظیفه دشوار را به شایستگی به پایان برد.
شهید طهماسبی چنان زیر فشار شکنجه‌های هولناک تاب می‌آورد که به او لقب «قهرمان شکنجه» داده بودند. هنگامی که در زندان بود، هر چند روز یک بار او را به شکنجه گاه می‌بردند و آن قدر کتک می‌زدند و زجر می‌دادند تا خون‌آلود و بی‌هوش می‌شد و به حالت اغما بر زمین می‌افتاد. سپس جسد نیمه جان او را در پتویی می‌پیچیدند و دو نفر سرباز، او را می‌آوردند و داخل سلول انفرادی پرت می‌کردند. آنگاه پزشک بر بالین او حاضر می‌شد و جراحات او را پانسمان می‌کرد و او را به هوش می‌آورد تا برای مرحله بعدی شکنجه آماده شود.
مقاومت حیرت‌انگیز خلیل طهماسبی در برابر شکنجه، در یاران او روح تازه ای می‌دمید و سبب می‌شد که آنها درد و رنج خود را از یاد ببرند. در آن زمان که بسیاری از کمونیست‌های سرشناس و سرسخت در زندانها بودند و زیر شکنجه قرار می‌گرفتند، مقاومت شهید طهماسبی آنان را سخت شگفت زده می‌کرد. یکی از علل مهم تشدید شکنجه بر شهید طهماسبی این بود که او حتی حسرت یک آخ را هم بر دل دشمن گذاشته بود و در برابر انبوه سئوالات آنها، طوری رفتار می‌کرد که گویی صدایشان را نمی‌شنود.
پس از ترور نافرجام علاء در سال 34، شهید نواب و هفت تن از یاران صمیمی او، از جمله شهید طهماسبی، دستگیر و زندانی و سپس در بیدادگاه رژیم محاکمه شدند. دادستان این دادرسی، سرلشکر حسین آزموده بود. بیدادگاه به صورت غیرعلنی و به مدت هشت روز تشکیل و حکم اعدام، برای نواب صفوی، سیدمحمد واحدی، مظفر علی ذوالقدر و خلیل طهماسبی صادر شد و دیگران به زندان محکوم شدند. پس از اعلام رأی، نواب، شهید طهماسبی و سید محمد واحدی شادمانه خندیدند و نواب سجده شکر به جای آورد.
استاد خلیل همچون ابراهیم خلیل(ع)، به خدای خویش عشق می‌ورزید و هرجا که سخن از عشق، عرفان، توحید و لقاءالله و شهادت بود، او نیز در آنجا حضور داشت و زنده‌کننده تاریخ مسلمانان مؤمن و جانباز صدر اسلام بود. روز 27 دی ماه سال 1334، خبری کوتاه از رادیو تهران پخش شد که حکایت از تیرباران شهید نواب صفوی، و سه تن از یاران او داشت. آن روز، روز شهادت حضرت فاطمه زهرا(ع) بود. با شهادت این جوانمردان، اندوه و یأس، دل آزاد مردان ایران را به درد آورد. اینک باید سالها سپری می‌شد تا این سرزمین خونین جگر، فرزندانی چنین صادق و مخلص بپروراند تا یکسره ریشه‌های فساد را بر کنند و داد مظلومان را از ستمگران بستانند.